光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)，通常是一種圓柱形的光波波導(dǎo)。它利用全反射的原理把光波約束在纖芯，并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線(xiàn)方向傳輸。用石英玻璃代替銅線(xiàn)改變了世界。
光纖作為一種傳導(dǎo)光波的介質(zhì)，自1966年被高錕提出以來(lái)，憑借其通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸損耗低、中繼距離長(zhǎng)、保密性能好、適應(yīng)能力強(qiáng)、體積小、重量輕、原材料來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。被人們稱(chēng)為“光纖之父”的高錕也因此獲得了2009年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨著光纖性能的日趨完美和實(shí)用化，光纖對(duì)電信行業(yè)的變革產(chǎn)生了革命性的推動(dòng)，它已經(jīng)基本取代銅線(xiàn)成了現(xiàn)代通信中的核心組成部分。
光纖通信系統(tǒng)是一種以光為信息載波、光纖為導(dǎo)波介質(zhì)的通信系統(tǒng)，光纖傳輸信息時(shí)，把電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，然后在光纖內(nèi)部進(jìn)行傳輸。作為一項(xiàng)新興的通信技術(shù)，光纖通信從一開(kāi)始就顯示出了無(wú)比的優(yōu)越性，引起了人們的極大興趣和廣泛關(guān)注。光纖在通信中的廣泛應(yīng)用也同時(shí)促進(jìn)了光纖放大器和光纖激光器的飛速發(fā)展[1]。除了通信領(lǐng)域，光纖系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)、傳感等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。
光纖
光纖激光器的增益介質(zhì)為有源光纖．按其結(jié)構(gòu)可以分為單模光纖，雙包層光纖和光子晶體光纖三種。
單模光纖單模光纖由纖芯、包層和涂覆層組成，其中纖芯材料的折射率n1，比包層材料折射率n2要高，當(dāng)入射光的入射角大于臨界角時(shí)，光束在纖芯內(nèi)發(fā)生全發(fā)射，因而光纖能夠?qū)⒐馐`在纖芯內(nèi)傳播。單模光纖的內(nèi)包層對(duì)多模泵浦光不能起到約束作用，并且纖芯的數(shù)值孔徑低，因此只能采用單模泵浦光耦合進(jìn)入纖芯才能獲得激光輸出。早期的光纖激光器都是采用這種單模光纖，導(dǎo)致耦合效率低，激光器只有毫瓦量級(jí)的輸出功率。
雙包層光纖
為了克服常規(guī)單模單包層摻鐿(Yb3+)光纖對(duì)轉(zhuǎn)化效率和輸出功率的限制，莫勒(R．Maurer)在1974年首先提出了雙包層光纖的概念[2]。此后直到1988年斯尼澤(E．Snitzer)等人提出了包層泵浦技術(shù)[3]，高功率摻鐿光纖激光器／放大器才得以快速發(fā)展。
雙包層光纖是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的光纖，比常規(guī)光纖增加了一個(gè)內(nèi)包層，由涂覆層、內(nèi)包層、外包層、摻雜纖芯所構(gòu)成。包層泵浦技術(shù)以雙包層光纖為基礎(chǔ)，其核心在于讓多模泵浦光在內(nèi)包層中傳輸，激光在纖芯中傳輸，使得泵浦轉(zhuǎn)換效率和光纖激光的輸出功率都能得到較大的提高。雙包層光纖的結(jié)構(gòu)、內(nèi)包層的形狀、泵浦光耦合方式等是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵所在。
雙包層光纖的纖芯由摻稀土元素的二氧化硅(SiO2)構(gòu)成，在光纖激光器中既是激光介質(zhì)又是激光信號(hào)的傳輸通道，對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)一般通過(guò)設(shè)計(jì)其數(shù)值孔徑和芯徑直徑減小其V參數(shù)，以保證輸出激光是基橫模。內(nèi)包層橫向尺寸(常規(guī)纖芯直徑的數(shù)十倍)和數(shù)值孔徑比纖芯大得多，折射率比纖芯小，可限制激光完全在纖芯內(nèi)傳播。這樣在纖芯和外包層之間形成了一個(gè)大截面、大數(shù)值孔徑的光波導(dǎo)，它可以允許大數(shù)值孔徑、大截面和多模的高功率泵浦光耦合到光纖中，并被限制在內(nèi)包層以?xún)?nèi)傳輸，不擴(kuò)散，有利于保持高功率密度光泵浦。外包層是由折射率比內(nèi)包層小的聚合物材料構(gòu)成；最外層是由有機(jī)材料構(gòu)成的保護(hù)層。雙包層光纖對(duì)泵浦光的耦合面積由內(nèi)包層尺寸決定，而不像傳統(tǒng)單模光纖僅由纖芯決定。這樣雙包層光纖構(gòu)成了一種雙層的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一方面提高了人纖激光的功率耦合效率，使泵浦光在內(nèi)包層內(nèi)傳導(dǎo)時(shí)，多次穿越纖芯激發(fā)摻雜離子發(fā)射激光；另一方面輸出光束質(zhì)量由纖芯性質(zhì)決定，內(nèi)包層的引入沒(méi)有破壞光纖激光器輸出的光束質(zhì)量。
最初，雙包層光纖的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)是圓柱對(duì)稱(chēng)的，它的制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，也易于與泵浦激光二極管(LD)的尾纖相耦合連接，但是其完美的對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致內(nèi)包層中的泵浦光存在大量的螺旋光線(xiàn)，這些光線(xiàn)即使經(jīng)歷足夠多次的反射也永遠(yuǎn)不能到達(dá)纖芯區(qū)域，從而不可能被纖芯吸收，于是即使采用較長(zhǎng)的光纖仍然會(huì)有大量的漏光存在，使得轉(zhuǎn)換效率難以提高。為此，必須破壞內(nèi)包層的圓柱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。
光子晶體光纖
在普通雙包層光纖中，纖芯的幾何尺寸決定了輸出激光功率的大?。?dāng)?shù)值孔徑?jīng)Q定了輸出激光的光束質(zhì)量。由于光纖中非線(xiàn)性效應(yīng)、光損傷等物理機(jī)制的限制，單一增加纖芯直徑的手段，無(wú)法滿(mǎn)足大模場(chǎng)雙包層光纖在高功率輸出時(shí)單模運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。特種光纖的出現(xiàn)，如光子晶體光纖(PCF)，為解決這一難題提供了有效的技術(shù)途徑。
光子晶體的概念最初由雅布羅諾維奇(E．Yablonovitch)”1于1 987年提出，即不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在一維、二維或三維空間內(nèi)組成具有光波長(zhǎng)量級(jí)的周期性結(jié)構(gòu)，在此晶體中產(chǎn)生允許光傳播的光子導(dǎo)帶和禁止光傳播的光子帶隙(PBG）。通過(guò)改變不同介質(zhì)的排列方式及分布周期，可以引起光子晶體性質(zhì)上的許多變化，從而實(shí)現(xiàn)特定的功能。PCF是二維的光子晶體，又被稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)光纖或者多孔光纖。1996年，奈特(J．C．Knight)等人拉制出首根PCF，其導(dǎo)光機(jī)制與傳統(tǒng)光纖的全內(nèi)反射導(dǎo)光類(lèi)似。第一根依靠光子帶隙原理導(dǎo)光的PCF誕生于1998年。2005年以后，大模場(chǎng)PCF的設(shè)計(jì)和制備方法開(kāi)始多樣化，出現(xiàn)了各種形狀的結(jié)構(gòu)，包括泄露通道PCF、棒狀PCF、大間距PCF以及多芯PCF等。光纖的模場(chǎng)面積也相應(yīng)不斷提高。
在外觀上，PCF與傳統(tǒng)的單模光纖非常相似，但在微觀上卻表現(xiàn)出復(fù)雜的孔陣結(jié)構(gòu)。正是這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，賦予了PCF獨(dú)特的、傳統(tǒng)光纖無(wú)法比擬的眾多優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)截止單模傳輸、大模場(chǎng)面積、色散可調(diào)和低限制損耗等性能，可以克服傳統(tǒng)激光器的諸多難題。比如，PCF可以在實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)面積下的單模運(yùn)轉(zhuǎn)，在保證光束質(zhì)量的同時(shí)，顯著降低光纖中的激光功率密度、減小光纖中的非線(xiàn)性效應(yīng)、提高光纖的損傷閾值；可實(shí)現(xiàn)大數(shù)值孔徑，這意味著可以實(shí)現(xiàn)更多的泵浦光耦合、更高功率激光的輸出。PCF的這些優(yōu)點(diǎn)，引起了世界范圍內(nèi)的一系列研究熱潮，使它成為光纖激光器中一個(gè)新的研究亮點(diǎn)，在高功率光纖激光器的應(yīng)用中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
光纖激光器的發(fā)明
以光纖作為激光增益介質(zhì)的激光器被稱(chēng)為光纖激光器。與其他類(lèi)型的激光器一樣，由增益介質(zhì)、泵浦源和諧振腔三個(gè)部分組成。光纖激光器使用纖芯中摻雜有稀土元素的有源光纖作為增益介質(zhì)。一般采用半導(dǎo)體激光器作為泵浦源。而諧振腔則一般利用反射鏡、光纖端面、光纖環(huán)形鏡或光纖光柵等器件構(gòu)成。
根據(jù)光纖激光器的時(shí)域特性，可以分為連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器；根據(jù)諧振腔結(jié)構(gòu)不同，可以分為線(xiàn)形腔光纖激光器、分布反饋式光纖激光器和環(huán)形腔光纖激光器；根據(jù)增益光纖和泵浦方式的不同，可以分為單包層光纖激光器(纖芯泵浦)和雙包層光纖激光器(包層泵浦)。
在1961年，斯尼澤就在摻釹(Nd)的玻璃波導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)了激光輻射。1966年，高錕詳細(xì)研究了光纖中光衰減的主要原因，并指出了光纖在通信中實(shí)際應(yīng)用所需要解決的主要技術(shù)問(wèn)題[5]。1970年，美國(guó)的康寧公司開(kāi)發(fā)出衰減小于20分貝／千米的光纖，為光通信和光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[5]。這一技術(shù)突破也極大地促進(jìn)了光纖激光器的發(fā)展。20世紀(jì)七八十年代，半導(dǎo)體激光器技術(shù)的成熟和商品化為光纖激光器的發(fā)展提供了可靠而又多樣化的泵浦源。與此同時(shí)，化學(xué)氣相沉積法的發(fā)展使得光纖的傳輸損耗不斷降低。光纖激光器也向著多樣化的方向迅速發(fā)展，光纖中摻雜多種稀土元素，如鉺(Er3+)、鐿(Yb3+)、釹(Nd3+)、釤(Sm 3+)、銩(Tm3+)、鈥(Ho3+)、鐠(Pr3+)、鏑(Dy3+)、鉍(Bi3+)等。根據(jù)所摻雜的離子不同，可以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的激光輸出。滿(mǎn)足不同的應(yīng)用要求。
高功率光纖激光器的特點(diǎn)
高功率光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)如下。
(1)光束質(zhì)量好。光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)決定了光纖激光器易于獲得單橫模輸出，且受外界因素影響很小，能夠?qū)崿F(xiàn)高亮度的激光輸出。
(2)高效率。光纖激光器通過(guò)選擇發(fā)射波長(zhǎng)和摻雜稀土元素吸收特性相匹配的半導(dǎo)體激光器為泵浦源，可以實(shí)現(xiàn)很高的光一光轉(zhuǎn)化效率。對(duì)于摻鐿的高功率光纖激光器，一般選擇915納米或975納米的半導(dǎo)體激光器，由于Yb3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上轉(zhuǎn)換、激發(fā)態(tài)吸收和濃度猝滅等現(xiàn)象較少出現(xiàn)，熒光壽命較長(zhǎng)，能夠有效儲(chǔ)存能量以實(shí)現(xiàn)高功率運(yùn)作。商業(yè)化光纖激光器的總體電光效率高達(dá)25％，有利于降低成本，節(jié)能環(huán)保。
(3)散熱特性好。光纖激光器是采用細(xì)長(zhǎng)的摻雜稀土元素光纖作為激光增益介質(zhì)的，其表面積和體積比非常大。約為固體塊狀激光器的1000倍，在散熱能力方面具有天然優(yōu)勢(shì)。中低功率情況下無(wú)需對(duì)光纖進(jìn)行特殊冷卻，高功率情況下采用水冷散熱，也可以有效避免固體激光器中常見(jiàn)的由于熱效應(yīng)引起的光束質(zhì)量下降及效率下降。
(4)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。由于光纖激光器采用細(xì)小而柔軟的光纖作為激光增益介質(zhì)，有利于壓縮體積、節(jié)約成本。泵浦源也是采用體積小、易于模塊化的半導(dǎo)體激光器，商業(yè)化產(chǎn)品一般可帶尾纖輸出，結(jié)合光纖布拉格光柵等光纖化的器件，只要將這些器件相互熔接即可實(shí)現(xiàn)全光纖化，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)免疫能力高，具有很高的穩(wěn)定性，可節(jié)省維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。
高功率光纖激光器也有難以克服的缺點(diǎn)：一是易受非線(xiàn)性效應(yīng)的制約。光纖激光由于其波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)，有效長(zhǎng)度較長(zhǎng)，各種非線(xiàn)性效應(yīng)的閾值較低。一些有害的非線(xiàn)性效應(yīng)如受激拉曼散射(SRS)、自相位調(diào)制(SPM)等會(huì)造成相位的起伏和頻譜上能量的轉(zhuǎn)移，甚至是激光系統(tǒng)的損傷，限制了高功率光纖激光器的發(fā)展。二是光子暗化效應(yīng)。隨著泵浦作用時(shí)間的增加，光子暗化效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高摻雜濃度的摻稀土元素光纖的功率轉(zhuǎn)換效率單調(diào)不可逆地下降，制約著高功率光纖激光器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命，這一點(diǎn)在摻鐿的高功率光纖激光器中尤為明顯。
隨著高亮度光纖耦合半導(dǎo)體激光器和雙包層光纖技術(shù)的進(jìn)步，高功率光纖激光器的輸出功率、光光轉(zhuǎn)換效率和光束質(zhì)量得到了長(zhǎng)足發(fā)展。在工業(yè)加工、定向能武器、長(zhǎng)距離遙測(cè)、激光雷達(dá)等應(yīng)用領(lǐng)域的巨大需求牽引下，以美國(guó)阿帕奇光電(IPG Photonics)公司、鈕芬(Nufern)公司、恩耐(Nlight)公司和德國(guó)通快集團(tuán)為主的研究單位對(duì)連續(xù)波、脈沖波高功率光纖激光器進(jìn)行了積極研發(fā)，推出了豐富的產(chǎn)品線(xiàn)。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和中國(guó)航天科工集團(tuán)第四研究院等多家單位也報(bào)道了令人振奮的成果。
光纖激光器功率提升技術(shù)
由于光纖激光中的非線(xiàn)性效應(yīng)、熱效應(yīng)以及材料損傷閾值等的限制，單路光纖激光器的輸出功率受到一定的限制，并且隨著功率的升高，光束質(zhì)量逐漸下降，需要采用模式控制技術(shù)和設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的新型光纖才能改善光束質(zhì)量。道森(J．W．Dawson)等人[6]在理論上分析了單根光纖的輸出功率極限，計(jì)算表明在寬帶光纖激光器中單根光纖可獲得最高功率為36千瓦的近衍射極限激光輸出，而對(duì)于窄線(xiàn)寬光纖激光器，最高功率為2千瓦。為了進(jìn)一步提升光纖激光與放大器的輸出功率，通過(guò)相干合成技術(shù)將多路光纖激光進(jìn)行功率合成是一種有效的方法。成為近年來(lái)國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。
相干合成是通過(guò)控制各路激光束的相位、頻率、偏振具有一定的一致性，使其滿(mǎn)足相干條件，獲得同相鎖定輸出，其可以獲得比簡(jiǎn)單的非相干疊加高得多的峰值強(qiáng)度，并且保持良好的光束質(zhì)量。相干合成技術(shù)的發(fā)展歷史和激光器本身的歷史幾乎一樣長(zhǎng)，而且涉及氣體激光器、化學(xué)激光器、半導(dǎo)體激光器、固體激光器等各種類(lèi)型，但是由于早期各種器件的不成熟，相干合成技術(shù)取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有突破當(dāng)時(shí)相應(yīng)單鏈路激光的最大輸出功率，因此效果不甚明顯。從1990年代開(kāi)始，光纖激光器的出現(xiàn)使得相干合成技術(shù)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。其原因除了光纖激光器本身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和百千瓦戰(zhàn)術(shù)使用的需求外，光纖通信商業(yè)推廣過(guò)程中配套產(chǎn)生的幾種器件(即光纖熔錐耦合器、多芯光纖、帶尾纖的相位調(diào)制器與聲光移頻器等)起到了至關(guān)重要的作用。光纖熔錐耦合器、多芯光纖使得基于激光能量注入耦合和倏逝波耦合的被動(dòng)相位控制十分便利，帶尾纖的相位調(diào)制器與聲光移頻器使得主動(dòng)相位控制能夠具備兆赫量級(jí)的控制帶寬，可以用于控制大功率條件下的相位起伏，實(shí)現(xiàn)鎖相輸出。研究人員提出了許多各具特色的相干合成方案。
光譜合成技術(shù)屬于一種非相干合成技術(shù)，采用一塊或多塊衍射光柵將多路子光束衍射至同一孔徑內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)單一孔徑輸出，得到較好的光束質(zhì)量。光纖激光器的光譜合成可以充分利用摻鐿光纖激光器較寬的增益帶寬來(lái)彌補(bǔ)單根光纖激光輸出功率受限的缺陷，以獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，是未來(lái)高功率光纖激光器重要的技術(shù)路徑之一。
近年來(lái)，上海光機(jī)所在高功率光纖激光以及光譜合成方面進(jìn)行了大量的研究，在器件制備、關(guān)鍵技術(shù)突破和光譜合成系統(tǒng)等方面均取得了重要突破。在窄線(xiàn)寬高功率光纖放大器方面，該所于2016年采用自主研發(fā)的光纖光柵、高功率光纖合束器、包層光濾除器等核心器件，基于光纖光柵級(jí)聯(lián)濾波、線(xiàn) 寬操控、放大級(jí)參數(shù)控制和光纖模式控制等關(guān)鍵技術(shù)，突破了德國(guó)耶拿大學(xué)研究組報(bào)道的線(xiàn)寬小于50吉赫激光的單模輸出功率極限．實(shí)現(xiàn)了功率為2．5千瓦、線(xiàn)寬為0．18納米(50吉赫)、中心波長(zhǎng)為1064．1納米的近衍射極限光纖激光輸出[7]。該激光器采用緊湊、穩(wěn)定的全光纖化種子和三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，激光器具有很好的穩(wěn)健性，主放采用非保偏20微米／400微米光纖。增加可用的泵浦功率，可進(jìn)一步提升激光輸出功率。
在光譜合成方面，金屬膜系反射式衍射光柵損傷閾值較低，很難承受高功率激光的輻照，不易實(shí)現(xiàn)高功率的光譜合成。2016年8月，采用7臺(tái)窄線(xiàn)寬光纖激光器以及高損傷閾值偏振非相關(guān)多層電介質(zhì)衍射光柵(MLDG)實(shí)現(xiàn)了11．27千瓦高光束質(zhì)量的光譜合成[8]，在高功率光纖激光光譜合成方面取得了很大的進(jìn)展。
高功率光纖激光器的典型應(yīng)用
光纖激光器因其光束質(zhì)量好、電光效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)加工、醫(yī)療、遙感、安防、科研等領(lǐng)域有全方位的優(yōu)異表現(xiàn)。
在工業(yè)領(lǐng)域，按照輸出功率可以將光纖激光器劃分為三個(gè)層次：低功率光纖激光器(<50瓦)，主要應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)加工、激光打標(biāo)、調(diào)阻、精密鉆孔、金屬雕刻等；中功率光纖激光器(50～500瓦)，主要應(yīng)用于薄金屬板的打孔、焊接、切割和表面處理；高功率光纖激光器(>1000瓦)，主要應(yīng)用于厚金屬板的切割、金屬表面涂覆、特殊板材的三維加工等。光纖的柔性特征，能夠很好地與機(jī)器手臂結(jié)合起來(lái)，滿(mǎn)足各種復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用要求。近年來(lái)興起的3D打印技術(shù)，尤其需要這種高亮度的激光系統(tǒng)。
在醫(yī)療領(lǐng)域，最理想的激光波長(zhǎng)是1．3微米，可用于診斷成像；1．5微米(水的吸收峰)到4微米之間則可用于外科手術(shù)。對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，光纖激光器最大的優(yōu)勢(shì)是其緊湊小巧，可彎曲的幾何結(jié)構(gòu)。具有寬光譜范圍，高輸出功率的短相干波長(zhǎng)光源是獲得高速、超高分辨率的光相干層析成像系統(tǒng)的關(guān)鍵。摻鉺光纖激光器和摻鐿的拉曼光纖激光器具有光學(xué)相干層析成像典型的要求：結(jié)構(gòu)小巧緊湊、堅(jiān)固耐用、價(jià)格合理、相對(duì)高的功率和無(wú)需光學(xué)校準(zhǔn)仍可達(dá)到較高的分辨率。高功率的摻鉺光纖激光器和摻銩光纖激光器則非常適合于醫(yī)療手術(shù)應(yīng)用。研究人員發(fā)現(xiàn)激光不但可以快速切除和凝結(jié)軟組織，而且在1．94微米波長(zhǎng)內(nèi)具有止血功能。而且由于光纖激光器優(yōu)異的光束質(zhì)量，其手術(shù)具有很高的精度。
在遙感領(lǐng)域，中紅外光纖激光器如摻鉺光纖激光器和摻銩光纖激光器的輸出波長(zhǎng)位于大氣窗口，能夠低損耗地穿過(guò)大氣。尤其是摻銩光纖激光器在人眼安全波段更容易獲得高功率輸出，在功率放大方面更具有優(yōu)勢(shì)。光纖激光器的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)潔小巧、便攜性好，這將有助于降低航空或航天飛行載具的負(fù)荷。
在國(guó)防軍事領(lǐng)域，激光在雷達(dá)探測(cè)、保密通信、制導(dǎo)、殺傷等方面均有廣泛應(yīng)用。從光纖激光器誕生起，就以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為新一代激光武器的熱門(mén)候選光源。光纖激光器的高光束質(zhì)量特別適合遠(yuǎn)距離傳輸能苗，其相對(duì)其他光源更加小巧的體積有利于發(fā)射平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性，提高在戰(zhàn)場(chǎng)上的適應(yīng)能力和存活能力。在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)，斯巴特(SPATA)公司的“宙斯”激光掃雷系統(tǒng)就執(zhí)行了掃雷任務(wù)。從2009年開(kāi)始，美國(guó)海軍就多次用光纖激光系統(tǒng)擊毀過(guò)無(wú)人機(jī)、炮彈、小型艦艇等同標(biāo)，2014年已在軍艦上列裝。2012年，德國(guó)的國(guó)防軍火商萊茵金屬(Rheinmetall)公司推出了一款輸出功率達(dá)50千瓦的雙管激光系統(tǒng)，在演示實(shí)驗(yàn)中攔截?fù)魵Я藷o(wú)人機(jī)、炮彈等目標(biāo)。
激光武器
激光武器是一類(lèi)正在迅速發(fā)展中的新概念武器。激光武器以光速將高能量激光發(fā)射到目標(biāo)表面，通過(guò)毀傷光電偵測(cè)、導(dǎo)航和制導(dǎo)等關(guān)鍵裝置，或使目標(biāo)“失明、致盲”，或燒穿毪行物殼體，將其擊落，或引爆燃料，使其空中爆炸，短時(shí)問(wèn)內(nèi)即可完成毀傷任務(wù)，具有能量集中、傳輸速度快、能多次重復(fù)使用、效費(fèi)比高、移轉(zhuǎn)火力快、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。激光武器自誕生以來(lái)，其發(fā)展經(jīng)歷了多次起伏，光纖激光器等固體激光器技術(shù)的成熟，為激光武器的發(fā)展注入了新動(dòng)力，成為當(dāng)前主要軍事強(qiáng)國(guó)的研究重點(diǎn)。目前，美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、印度等國(guó)均啟動(dòng)了激光武器的研制，并開(kāi)展了相關(guān)測(cè)試，激光武器進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)已經(jīng)指日可待。
為了應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)、偷襲性小艇等非對(duì)稱(chēng)威脅，提高艦艇的近防能力，美國(guó)海軍于2010年正式開(kāi)始研制“激光武器系統(tǒng)”(LaWS)，2014年9月，該系統(tǒng)開(kāi)始在“龐塞”號(hào)兩棲船塢運(yùn)輸艦上部署，并進(jìn)行為期一年的作戰(zhàn)測(cè)試評(píng)估。LaWS系統(tǒng)由雷神公司牽頭研制，波音公司和洛克希德·馬丁公司也參與了部分工作。LaWS最大限度地依靠現(xiàn)有商用技術(shù)和元器件以求降低研發(fā)和采購(gòu)成本。LaWS原型機(jī)由6臺(tái)工業(yè)用光纖激光器組成，工作中這6臺(tái)激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光束合成，可得到功率為30千瓦的激光束。激光武器系統(tǒng)使用成本低，根據(jù)有關(guān)部門(mén)的估算，單次照射的邊際成本僅為1美元，與每枚導(dǎo)彈動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)或數(shù)十萬(wàn)美元的價(jià)格形成鮮明對(duì)比。
2016年，美國(guó)海軍研究局啟動(dòng)新型艦載高能激光武器系統(tǒng)研制，輸出功率可達(dá)150千瓦，是此前上艦測(cè)試的LaWS系統(tǒng)樣機(jī)的5倍。該項(xiàng)目耗時(shí)12個(gè)月．5300萬(wàn)美元，分三階段研發(fā)“激光武器系統(tǒng)演示樣機(jī)”：第一階段主要完成初始設(shè)計(jì)，第二階段開(kāi)展地面測(cè)試，第三階段將在海軍自防御測(cè)試艦上進(jìn)行測(cè)試。
2014年，中國(guó)工程物理研究院聯(lián)合上海光機(jī)所等單位研發(fā)了“低空衛(wèi)士”系統(tǒng)。在演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中成功擊落固定翼、多旋翼、直升機(jī)等多種小型航空器30余架次，擊落率為100％。該系統(tǒng)發(fā)射功率近萬(wàn)瓦，低空有效護(hù)衛(wèi)面積為12平方千米，能在5米內(nèi)精準(zhǔn)攔截固定翼(半徑為2千米、360度空域)等多種航空器，具有快速、準(zhǔn)確、無(wú)附帶損傷的特點(diǎn)。
2015年，洛克希德·馬丁公司使用一臺(tái)30千瓦激光武器(ATHENA)摧毀了一輛一英里外的卡車(chē)。2017年3月，該公司表示其已經(jīng)完成60千瓦激光武器系統(tǒng)研發(fā)工作，其正在將“組束”激光武器運(yùn)到位于阿拉斯加的美國(guó)陸軍指揮中心。該公司的首席技術(shù)師杰克遜(K．Jackson)在一份聲明中稱(chēng)：“光纖激光武器正帶來(lái)定向能系統(tǒng)的革命性改變，這項(xiàng)測(cè)試也讓我們進(jìn)一步接近于研制出可用于軍用飛機(jī)、直升機(jī)、船只和卡車(chē)的輕量級(jí)固定激光武器系統(tǒng)?！毖芯孔C明強(qiáng)大的定向動(dòng)能激光現(xiàn)在已經(jīng)足夠輕、足夠小、足夠可靠，可在地面、海上和空中部署于戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)上進(jìn)行防御。
總結(jié)
總而言之，從整個(gè)激光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，光纖激光技術(shù)代表了高功率、高亮度激光的發(fā)展方向。它把波導(dǎo)光纖技術(shù)與半導(dǎo)體激光泵浦技術(shù)有機(jī)地融為一體。以光纖為載體的高功率光纖激光有望滿(mǎn)足未來(lái)激光先進(jìn)制造和軍事國(guó)防等領(lǐng)域?qū)Ω吖β?、高效率激光器的迫切需求，是一種對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全均有重要戰(zhàn)略意義的前沿技術(shù)。高功率光纖激光器在能源勘探、大科學(xué)裝置、空間科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域也表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，將會(huì)成為人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界、改造世界的有力工具。
